એન્ટેના-રેક્ટિફાયર કો-ડિઝાઇન
આકૃતિ 2 માં EG ટોપોલોજીને અનુસરતા રેક્ટેનાની લાક્ષણિકતા એ છે કે એન્ટેના 50Ω સ્ટાન્ડર્ડને બદલે સીધા રેક્ટિફાયર સાથે મેળ ખાય છે, જેના માટે રેક્ટિફાયરને પાવર આપવા માટે મેચિંગ સર્કિટને ઘટાડવા અથવા દૂર કરવાની જરૂર છે. આ વિભાગ 50Ω સિવાયના એન્ટેના અને મેચિંગ નેટવર્ક વિના રેક્ટેના સાથે SoA રેક્ટેનાના ફાયદાઓની સમીક્ષા કરે છે.
૧. ઇલેક્ટ્રિકલી નાના એન્ટેના
LC રેઝોનન્ટ રિંગ એન્ટેનાનો ઉપયોગ એવા કાર્યક્રમોમાં વ્યાપકપણે કરવામાં આવ્યો છે જ્યાં સિસ્ટમનું કદ મહત્વપૂર્ણ છે. 1 GHz થી ઓછી ફ્રીક્વન્સીઝ પર, તરંગલંબાઇ પ્રમાણભૂત વિતરિત તત્વ એન્ટેનાને સિસ્ટમના એકંદર કદ કરતાં વધુ જગ્યા રોકી શકે છે, અને બોડી ઇમ્પ્લાન્ટ માટે સંપૂર્ણપણે સંકલિત ટ્રાન્સસીવર્સ જેવા કાર્યક્રમો ખાસ કરીને WPT માટે ઇલેક્ટ્રિકલી નાના એન્ટેનાના ઉપયોગથી લાભ મેળવે છે.
નાના એન્ટેના (નજીકના રેઝોનન્સ) ના ઉચ્ચ ઇન્ડક્ટિવ ઇમ્પિડન્સનો ઉપયોગ રેક્ટિફાયરને સીધા જોડવા માટે અથવા વધારાના ઓન-ચિપ કેપેસિટીવ મેચિંગ નેટવર્ક સાથે કરી શકાય છે. હ્યુજેન્સ ડાયપોલ એન્ટેનાનો ઉપયોગ કરીને 1 GHz થી નીચે LP અને CP સાથે WPT માં ઇલેક્ટ્રિકલી નાના એન્ટેના નોંધાયા છે, જેમાં ka=0.645 છે, જ્યારે સામાન્ય ડાયપોલ્સમાં ka=5.91 છે (ka=2πr/λ0).
2. રેક્ટિફાયર કન્જુગેટ એન્ટેના
ડાયોડનો લાક્ષણિક ઇનપુટ અવબાધ ખૂબ જ કેપેસિટીવ હોય છે, તેથી કન્જુગેટ અવબાધ પ્રાપ્ત કરવા માટે ઇન્ડક્ટિવ એન્ટેનાની જરૂર પડે છે. ચિપના કેપેસિટીવ અવબાધને કારણે, ઉચ્ચ અવબાધ ઇન્ડક્ટિવ એન્ટેનાનો RFID ટૅગ્સમાં વ્યાપકપણે ઉપયોગ થાય છે. ડાયપોલ એન્ટેના તાજેતરમાં જટિલ અવબાધ RFID એન્ટેનામાં એક ટ્રેન્ડ બની ગયા છે, જે તેમની રેઝોનન્ટ આવર્તન નજીક ઉચ્ચ અવબાધ (પ્રતિકાર અને પ્રતિક્રિયા) દર્શાવે છે.
ઇન્ડક્ટિવ ડાયપોલ એન્ટેનાનો ઉપયોગ ફ્રિક્વન્સી બેન્ડમાં રેક્ટિફાયરના ઉચ્ચ કેપેસિટેન્સને મેચ કરવા માટે કરવામાં આવ્યો છે. ફોલ્ડ કરેલા ડાયપોલ એન્ટેનામાં, ડબલ શોર્ટ લાઇન (ડાયપોલ ફોલ્ડિંગ) એક ઇમ્પિડન્સ ટ્રાન્સફોર્મર તરીકે કાર્ય કરે છે, જે અત્યંત ઉચ્ચ ઇમ્પિડન્સ એન્ટેનાની ડિઝાઇનને મંજૂરી આપે છે. વૈકલ્પિક રીતે, બાયસ ફીડિંગ ઇન્ડક્ટિવ રિએક્ટન્સ તેમજ વાસ્તવિક ઇમ્પિડન્સ વધારવા માટે જવાબદાર છે. અસંતુલિત બો-ટાઇ રેડિયલ સ્ટબ્સ સાથે બહુવિધ બાયસ્ડ ડાયપોલ તત્વોનું સંયોજન ડ્યુઅલ બ્રોડબેન્ડ હાઇ ઇમ્પિડન્સ એન્ટેના બનાવે છે. આકૃતિ 4 કેટલાક રિપોર્ટ કરેલા રેક્ટિફાયર કન્જુગેટ એન્ટેના દર્શાવે છે.
આકૃતિ 4
RFEH અને WPT માં રેડિયેશન લાક્ષણિકતાઓ
ફ્રાઈસ મોડેલમાં, ટ્રાન્સમીટરથી d અંતરે એન્ટેના દ્વારા પ્રાપ્ત થતો પાવર PRX એ રીસીવર અને ટ્રાન્સમીટર ગેઈન (GRX, GTX) નું સીધું કાર્ય છે.
એન્ટેનાની મુખ્ય લોબ ડાયરેક્ટિવિટી અને ધ્રુવીકરણ ઘટના તરંગમાંથી એકત્રિત થતી શક્તિની માત્રાને સીધી અસર કરે છે. એન્ટેના રેડિયેશન લાક્ષણિકતાઓ એ મુખ્ય પરિમાણો છે જે આસપાસના RFEH અને WPT વચ્ચે તફાવત કરે છે (આકૃતિ 5). જ્યારે બંને એપ્લિકેશનોમાં પ્રચાર માધ્યમ અજાણ હોઈ શકે છે અને પ્રાપ્ત તરંગ પર તેની અસર ધ્યાનમાં લેવાની જરૂર છે, ટ્રાન્સમિટિંગ એન્ટેનાના જ્ઞાનનો ઉપયોગ કરી શકાય છે. કોષ્ટક 3 આ વિભાગમાં ચર્ચા કરાયેલા મુખ્ય પરિમાણો અને RFEH અને WPT માટે તેમની લાગુ પડવાની ક્ષમતાને ઓળખે છે.
આકૃતિ 5
૧. દિશાનિર્દેશ અને લાભ
મોટાભાગની RFEH અને WPT એપ્લિકેશનોમાં, એવું માનવામાં આવે છે કે કલેક્ટરને ઘટના કિરણોત્સર્ગની દિશા ખબર નથી અને કોઈ લાઇન-ઓફ-સાઇટ (LoS) પાથ નથી. આ કાર્યમાં, ટ્રાન્સમીટર અને રીસીવર વચ્ચેના મુખ્ય લોબ સંરેખણથી સ્વતંત્ર, અજાણ્યા સ્ત્રોતમાંથી પ્રાપ્ત શક્તિને મહત્તમ બનાવવા માટે બહુવિધ એન્ટેના ડિઝાઇન અને પ્લેસમેન્ટની તપાસ કરવામાં આવી છે.
પર્યાવરણીય RFEH રેક્ટેનામાં સર્વદિશાત્મક એન્ટેનાનો વ્યાપકપણે ઉપયોગ થાય છે. સાહિત્યમાં, PSD એન્ટેનાના દિશાનિર્દેશના આધારે બદલાય છે. જો કે, પાવરમાં ફેરફાર સમજાવવામાં આવ્યો નથી, તેથી તે નક્કી કરવું શક્ય નથી કે આ ફેરફાર એન્ટેનાના રેડિયેશન પેટર્નને કારણે છે કે ધ્રુવીકરણ મિસમેચને કારણે છે.
RFEH એપ્લિકેશનો ઉપરાંત, ઓછી RF પાવર ઘનતાની સંગ્રહ કાર્યક્ષમતા સુધારવા અથવા પ્રચાર નુકસાનને દૂર કરવા માટે માઇક્રોવેવ WPT માટે હાઇ-ગેઇન ડાયરેક્શનલ એન્ટેના અને એરે વ્યાપકપણે નોંધાયા છે. યાગી-ઉડા રેક્ટેના એરે, બોટી એરે, સર્પાકાર એરે, ચુસ્ત રીતે જોડાયેલા વિવાલ્ડી એરે, CPW CP એરે અને પેચ એરે એ સ્કેલેબલ રેક્ટેના અમલીકરણોમાં શામેલ છે જે ચોક્કસ ક્ષેત્ર હેઠળ ઘટના પાવર ઘનતાને મહત્તમ કરી શકે છે. એન્ટેના ગેઇનને સુધારવા માટેના અન્ય અભિગમોમાં માઇક્રોવેવ અને મિલિમીટર વેવ બેન્ડમાં સબસ્ટ્રેટ ઇન્ટિગ્રેટેડ વેવગાઇડ (SIW) ટેકનોલોજીનો સમાવેશ થાય છે, જે WPT માટે વિશિષ્ટ છે. જો કે, હાઇ-ગેઇન રેક્ટેના સાંકડી બીમવિડ્થ દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે, જે મનસ્વી દિશામાં તરંગોના સ્વાગતને બિનકાર્યક્ષમ બનાવે છે. એન્ટેના તત્વો અને પોર્ટ્સની સંખ્યાની તપાસમાં તારણ કાઢ્યું છે કે ઉચ્ચ ડાયરેક્ટિવિટી ત્રિ-પરિમાણીય મનસ્વી ઘટનાઓને ધારીને આસપાસના RFEH માં ઉચ્ચ લણણી શક્તિને અનુરૂપ નથી; શહેરી વાતાવરણમાં ક્ષેત્ર માપન દ્વારા આ ચકાસવામાં આવ્યું હતું. હાઇ-ગેઇન એરે WPT એપ્લિકેશનો સુધી મર્યાદિત હોઈ શકે છે.
હાઇ-ગેઇન એન્ટેનાના ફાયદાઓને મનસ્વી RFEH માં સ્થાનાંતરિત કરવા માટે, ડાયરેક્ટિવિટી સમસ્યાને દૂર કરવા માટે પેકેજિંગ અથવા લેઆઉટ સોલ્યુશન્સનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. એમ્બિયન્ટ વાઇ-ફાઇ RFEH માંથી બે દિશામાં ઊર્જા એકત્રિત કરવા માટે ડ્યુઅલ-પેચ એન્ટેના રિસ્ટબેન્ડનો પ્રસ્તાવ છે. એમ્બિયન્ટ સેલ્યુલર RFEH એન્ટેનાને 3D બોક્સ તરીકે પણ ડિઝાઇન કરવામાં આવે છે અને સિસ્ટમ વિસ્તાર ઘટાડવા અને બહુ-દિશાત્મક લણણીને સક્ષમ કરવા માટે બાહ્ય સપાટીઓ પર છાપવામાં આવે છે અથવા ચોંટાડવામાં આવે છે. ક્યુબિક રેક્ટેના માળખાં એમ્બિયન્ટ RFEH માં ઊર્જા સ્વાગતની ઉચ્ચ સંભાવના દર્શાવે છે.
2.4 GHz, 4 × 1 એરે પર WPT સુધારવા માટે સહાયક પરોપજીવી પેચ તત્વો સહિત બીમવિડ્થ વધારવા માટે એન્ટેના ડિઝાઇનમાં સુધારા કરવામાં આવ્યા હતા. બહુવિધ બીમ પ્રદેશો સાથે 6 GHz મેશ એન્ટેનાનો પણ પ્રસ્તાવ મૂકવામાં આવ્યો હતો, જે પ્રતિ પોર્ટ બહુવિધ બીમ દર્શાવે છે. મલ્ટી-ડાયરેક્શનલ અને મલ્ટી-પોલરાઇઝ્ડ RFEH માટે ઓમ્નિડાયરેક્શનલ રેડિયેશન પેટર્ન સાથે મલ્ટી-પોર્ટ, મલ્ટી-રેક્ટિફાયર સરફેસ રેક્ટેના અને એનર્જી હાર્વેસ્ટિંગ એન્ટેનાનો પ્રસ્તાવ મૂકવામાં આવ્યો છે. હાઇ-ગેઇન, મલ્ટી-ડાયરેક્શનલ એનર્જી હાર્વેસ્ટિંગ માટે બીમફોર્મિંગ મેટ્રિસિસ અને મલ્ટી-પોર્ટ એન્ટેના એરે સાથે મલ્ટી-રેક્ટિફાયરનો પણ પ્રસ્તાવ મૂકવામાં આવ્યો છે.
સારાંશમાં, જ્યારે ઓછી RF ઘનતામાંથી મેળવેલી શક્તિને સુધારવા માટે હાઇ-ગેઇન એન્ટેના પસંદ કરવામાં આવે છે, ત્યારે ટ્રાન્સમીટર દિશા અજાણી હોય તેવા કાર્યક્રમોમાં ઉચ્ચ દિશાત્મક રીસીવરો આદર્શ ન પણ હોઈ શકે (દા.ત., અજાણ્યા પ્રચાર ચેનલો દ્વારા એમ્બિયન્ટ RFEH અથવા WPT). આ કાર્યમાં, મલ્ટિ-ડાયરેક્શનલ હાઇ-ગેઇન WPT અને RFEH માટે બહુવિધ મલ્ટિ-બીમ અભિગમો પ્રસ્તાવિત છે.
2. એન્ટેના ધ્રુવીકરણ
એન્ટેના ધ્રુવીકરણ એન્ટેના પ્રચાર દિશાની તુલનામાં ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડ વેક્ટરની ગતિનું વર્ણન કરે છે. મુખ્ય લોબ દિશાઓ ગોઠવાયેલ હોય ત્યારે પણ ધ્રુવીકરણ મિસમેચ એન્ટેના વચ્ચે ટ્રાન્સમિશન/રિસેપ્શનમાં ઘટાડો લાવી શકે છે. ઉદાહરણ તરીકે, જો ટ્રાન્સમિશન માટે વર્ટિકલ LP એન્ટેનાનો ઉપયોગ કરવામાં આવે અને રિસેપ્શન માટે આડી LP એન્ટેનાનો ઉપયોગ કરવામાં આવે, તો કોઈ પાવર પ્રાપ્ત થશે નહીં. આ વિભાગમાં, વાયરલેસ રિસેપ્શન કાર્યક્ષમતાને મહત્તમ કરવા અને ધ્રુવીકરણ મિસમેચ નુકસાનને ટાળવા માટેની રિપોર્ટ કરેલી પદ્ધતિઓની સમીક્ષા કરવામાં આવી છે. ધ્રુવીકરણના સંદર્ભમાં પ્રસ્તાવિત રેક્ટેના આર્કિટેક્ચરનો સારાંશ આકૃતિ 6 માં આપવામાં આવ્યો છે અને કોષ્ટક 4 માં SoA નું ઉદાહરણ આપવામાં આવ્યું છે.
આકૃતિ 6
સેલ્યુલર કોમ્યુનિકેશનમાં, બેઝ સ્ટેશન અને મોબાઇલ ફોન વચ્ચે રેખીય ધ્રુવીકરણ સંરેખણ પ્રાપ્ત થવાની શક્યતા ઓછી છે, તેથી ધ્રુવીકરણ મિસમેચ નુકસાન ટાળવા માટે બેઝ સ્ટેશન એન્ટેનાને ડ્યુઅલ-પોલરાઇઝ્ડ અથવા મલ્ટી-પોલરાઇઝ્ડ બનાવવા માટે ડિઝાઇન કરવામાં આવ્યા છે. જો કે, મલ્ટીપાથ અસરોને કારણે LP તરંગોનું ધ્રુવીકરણ ભિન્નતા એક વણઉકેલાયેલી સમસ્યા રહે છે. મલ્ટી-પોલરાઇઝ્ડ મોબાઇલ બેઝ સ્ટેશનની ધારણાના આધારે, સેલ્યુલર RFEH એન્ટેનાને LP એન્ટેના તરીકે ડિઝાઇન કરવામાં આવ્યા છે.
CP રેક્ટેના મુખ્યત્વે WPT માં ઉપયોગમાં લેવાય છે કારણ કે તે પ્રમાણમાં મેળ ખાતી નથી. CP એન્ટેના પાવર લોસ વિના બધા LP તરંગો ઉપરાંત સમાન પરિભ્રમણ દિશા (ડાબા હાથે અથવા જમણા હાથે CP) સાથે CP રેડિયેશન પ્રાપ્ત કરવામાં સક્ષમ છે. કોઈ પણ સંજોગોમાં, CP એન્ટેના ટ્રાન્સમિટ કરે છે અને LP એન્ટેના 3 dB નુકશાન (50% પાવર લોસ) સાથે પ્રાપ્ત કરે છે. CP રેક્ટેના 900 MHz અને 2.4 GHz અને 5.8 GHz ઔદ્યોગિક, વૈજ્ઞાનિક અને તબીબી બેન્ડ તેમજ મિલિમીટર તરંગો માટે યોગ્ય હોવાનું નોંધાયું છે. મનસ્વી રીતે ધ્રુવીકરણ તરંગોના RFEH માં, ધ્રુવીકરણ વિવિધતા ધ્રુવીકરણ મિસમેચ નુકસાન માટે સંભવિત ઉકેલ રજૂ કરે છે.
પૂર્ણ ધ્રુવીકરણ, જેને બહુ-ધ્રુવીકરણ તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે, તે ધ્રુવીકરણ મિસમેચ નુકસાનને સંપૂર્ણપણે દૂર કરવા માટે પ્રસ્તાવિત કરવામાં આવ્યું છે, જે CP અને LP બંને તરંગોના સંગ્રહને સક્ષમ બનાવે છે, જ્યાં બે દ્વિ-ધ્રુવીકરણ ઓર્થોગોનલ LP તત્વો અસરકારક રીતે બધા LP અને CP તરંગો પ્રાપ્ત કરે છે. આને સમજાવવા માટે, ધ્રુવીકરણ કોણને ધ્યાનમાં લીધા વિના ઊભી અને આડી ચોખ્ખી વોલ્ટેજ (VV અને VH) સ્થિર રહે છે:
CP ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક વેવ "E" ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડ, જ્યાં પાવર બે વાર (એક યુનિટ દીઠ એક વાર) એકત્રિત કરવામાં આવે છે, જેનાથી CP ઘટક સંપૂર્ણપણે પ્રાપ્ત થાય છે અને 3 dB ધ્રુવીકરણ મિસમેચ નુકશાનને દૂર કરે છે:
અંતે, DC સંયોજન દ્વારા, મનસ્વી ધ્રુવીકરણના ઘટના તરંગો પ્રાપ્ત કરી શકાય છે. આકૃતિ 7 અહેવાલ કરેલ સંપૂર્ણપણે ધ્રુવીકરણ પામેલા રેક્ટેનાની ભૂમિતિ દર્શાવે છે.
આકૃતિ 7
સારાંશમાં, સમર્પિત પાવર સપ્લાય સાથે WPT એપ્લિકેશન્સમાં, CP ને પ્રાધાન્ય આપવામાં આવે છે કારણ કે તે એન્ટેનાના ધ્રુવીકરણ કોણને ધ્યાનમાં લીધા વિના WPT કાર્યક્ષમતામાં સુધારો કરે છે. બીજી બાજુ, મલ્ટી-સોર્સ એક્વિઝિશનમાં, ખાસ કરીને એમ્બિયન્ટ સ્ત્રોતોમાંથી, સંપૂર્ણપણે ધ્રુવીકરણ કરાયેલ એન્ટેના વધુ સારી એકંદર રિસેપ્શન અને મહત્તમ પોર્ટેબિલિટી પ્રાપ્ત કરી શકે છે; RF અથવા DC પર સંપૂર્ણપણે ધ્રુવીકરણ પાવરને જોડવા માટે મલ્ટી-પોર્ટ/મલ્ટી-રેક્ટિફાયર આર્કિટેક્ચરની જરૂર પડે છે.
સારાંશ
આ પેપર RFEH અને WPT માટે એન્ટેના ડિઝાઇનમાં તાજેતરની પ્રગતિની સમીક્ષા કરે છે, અને RFEH અને WPT માટે એન્ટેના ડિઝાઇનનું પ્રમાણભૂત વર્ગીકરણ પ્રસ્તાવિત કરે છે જે અગાઉના સાહિત્યમાં પ્રસ્તાવિત કરવામાં આવ્યું નથી. ઉચ્ચ RF-ટુ-ડીસી કાર્યક્ષમતા પ્રાપ્ત કરવા માટે ત્રણ મૂળભૂત એન્ટેના આવશ્યકતાઓ ઓળખવામાં આવી છે:
1. રસ ધરાવતા RFEH અને WPT બેન્ડ માટે એન્ટેના રેક્ટિફાયર ઇમ્પિડન્સ બેન્ડવિડ્થ;
2. સમર્પિત ફીડમાંથી WPT માં ટ્રાન્સમીટર અને રીસીવર વચ્ચે મુખ્ય લોબ ગોઠવણી;
૩. કોણ અને સ્થિતિને ધ્યાનમાં લીધા વિના, રેક્ટેના અને ઘટના તરંગ વચ્ચે ધ્રુવીકરણનું મેળ.
અવબાધના આધારે, રેક્ટેનાને 50Ω અને રેક્ટિફાયર કન્જુગેટ રેક્ટેનામાં વર્ગીકૃત કરવામાં આવે છે, જેમાં વિવિધ બેન્ડ અને લોડ વચ્ચે અવબાધ મેચિંગ અને દરેક મેચિંગ પદ્ધતિની કાર્યક્ષમતા પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરવામાં આવે છે.
SoA રેક્ટેનાની રેડિયેશન લાક્ષણિકતાઓની ડાયરેક્ટિવિટી અને ધ્રુવીકરણના દ્રષ્ટિકોણથી સમીક્ષા કરવામાં આવી છે. સાંકડી બીમવિડ્થને દૂર કરવા માટે બીમફોર્મિંગ અને પેકેજિંગ દ્વારા ગેઇન સુધારવા માટેની પદ્ધતિઓની ચર્ચા કરવામાં આવી છે. અંતે, WPT માટે CP રેક્ટેનાની સમીક્ષા કરવામાં આવી છે, સાથે WPT અને RFEH માટે ધ્રુવીકરણ-સ્વતંત્ર સ્વાગત પ્રાપ્ત કરવા માટે વિવિધ અમલીકરણોની પણ સમીક્ષા કરવામાં આવી છે.
એન્ટેના વિશે વધુ જાણવા માટે, કૃપા કરીને મુલાકાત લો:
પોસ્ટ સમય: ઓગસ્ટ-૧૬-૨૦૨૪
